DE102017114570A1 - Burner head and combustion process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Verbrennung von Brennstoff in einer von einem Brennerkopf beabstandeten, stromabwärts gelegenen Verbrennungszone in einem Brennraum. Bei einem Brennerkopf und einem Verbrennungsverfahren, in dem ein erster Teil-Volumenstrom der Verbrennungsluft schraubenlinienförmig verdrallt wird, wird vorgeschlagen, mindestens einen zweiten Teil-Volumenstrom der Verbrennungsluft zu verwirbeln, bevor die beiden Teil-Volumenströme miteinander und in der Folge mit unverbranntem Brennstoff vermischt werden, wodurch die Stabilität der Flamme erhöht und der Schadstoffausstoß vermindert wird. The invention relates to the combustion of fuel in a burner head spaced, downstream combustion zone in a combustion chamber. In a burner head and a combustion method, in which a first partial volume flow of the combustion air is helically twisted, it is proposed to vortex at least a second partial volume flow of the combustion air before the two partial volume flows are mixed with each other and subsequently with unburned fuel , which increases the stability of the flame and reduces pollutant emissions.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbrennung von Brennstoff in einer von einem Brennerkopf beabstandeten, stromabwärts gelegenen Verbrennungszone in einem Brennraum.The present invention relates to the combustion of fuel in a burner head spaced, downstream combustion zone in a combustion chamber.
Bei Verbrennung fossiler Brennstoffe in Feuerungsanlagen entstehen im Allgemeinen umweltbelastende Schadstoffemissionen, insbesondere in Form von Stickoxiden (z. B. NO, NO2), die üblicherweise zusammenfassend als NOx bezeichnet werden. Im Fall von Stickoxiden hat sich die Rezirkulation bzw. Rückführung von bei der Verbrennung entstehenden Abgasen als wirksam herausgestellt. Rezirkulierte Abgase führen zu einer Verringerung von bei Verbrennung entstehenden Stickoxiden. Durch die Rückführung von Abgas können die Flammentemperatur und der SauerstoffPartialdruck gesenkt und damit die Stickoxidentstehung verringert werden, für die hohe Verbrennungstemperaturen verantwortlich sind, und/oder Brennstoffgemische mit einer Stöchiometrie erzeugt werden, die zu einer Verringerung von Stickoxid führt. Jedoch führt eine Einmischung von Abgas tendenziell zu einer Destabilisierung der Flamme.When fossil fuels are burned in combustion plants, environmentally harmful pollutant emissions generally arise, in particular in the form of nitrogen oxides (eg NO, NO 2), which are usually referred to collectively as NO x. In the case of nitrogen oxides, the recirculation or recirculation of exhaust gases produced during combustion has proven to be effective. Recirculated exhaust gases lead to a reduction of nitrogen oxides produced during combustion. By recirculating exhaust gas, the flame temperature and partial pressure of oxygen can be lowered, thereby reducing nitrogen oxide formation, which is caused by high combustion temperatures, and / or fuel mixtures having a stoichiometry resulting in a reduction of nitrogen oxide. However, mixing in of exhaust gas tends to destabilize the flame.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Brennstoff zweistufig zu verbrennen, wobei Brennstoff in zwei unterschiedlichen, in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Verbrennungszonen verbrannt wird. Ein solcher Ansatz ist beispielsweise aus
Alternativ werden einstufige Verbrennungen, insbesondere wenn Abgas rezirkuliert wird, verwendet. Verfahren und Vorrichtungen zur einstufigen Verbrennung sind beispielsweise aus
Die obigen Ausführungen gelten insbesondere für reine Gasbrenner (Einstoffbrenner) und Gas-Öl-Brenner (Zweistoffbrenner) im Gasbetrieb. Bei einem Ölbrenner (Einstoffbrenner) oder Gas-Öl-Brenner (Zweistoffbrenner) im Ölbetrieb stellen sich hinsichtlich der Stabilisierung der Flamme vergleichbare Probleme, wenn sie hier auch geringer ausfallen. Des Weiteren ist auch hier die Durchmischung von Brennstoff (z.B. Öl) und Verbrennungsluft für die resultierende Brennstoff-Verbrennungsluft-Mischung und das Brennstoffverhalten insgesamt von Bedeutung. Je intensiver und homogener die Durchmischung erreicht werden kann, desto optimaler gestaltet sich der Brennvorgang. Allerdings ist die Durchmischung von Brennstoff (z. B. Öl, Gas) und Verbrennungsluft ein zu verbessernder Aspekt.The above statements apply in particular to pure gas burners (single-fuel burners) and gas-oil burners (dual-fuel burners) in gas operation. For an oil burner (single fuel burner) or gas-oil burner (dual fuel burner) in oil operation, there are comparable problems with regard to the stabilization of the flame, although they are lower here. Further, here too, the mixing of fuel (e.g., oil) and combustion air is important to the resulting fuel-combustion air mixture and overall fuel performance. The more intensive and homogeneous the mixing can be achieved, the more optimal the burning process. However, the mixing of fuel (eg, oil, gas) and combustion air is an aspect to be improved.
Zur Lösung der Aufgabe, bei der Verbrennung von Brennstoffen für eine verbesserte Ausbildung und Stabilisierung einer vom Brennkopf beabstandeten Flamme zu sorgen und dabei eine Entstehung von Schadstoffen, insbesondere Stickoxiden, durch Abgasrückführung zu minimieren, wird in
Der Begriff „verdrallt“ ist in
Obwohl durch die in
Es besteht daher weiterhin Bedarf nach technischen Lösungen für Brennerköpfe sowie Verbrennungsverfahren, mit denen die Stabilität der Flamme verbessert und die Schadstoffemissionen, insbesondere von Kohlenmonoxid, Stickoxiden und (besonders im Ölbetrieb) Ruß, verringert werden können.There is therefore still a need for technical solutions for burner heads and combustion processes, with which the stability of the flame improved and the pollutant emissions, in particular of carbon monoxide, nitrogen oxides and (especially in oil operation) soot can be reduced.
Ausgehend von dem zitierten Stand der Technik werden daher nunmehr ein verbesserter Brennerkopf mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie ein verbessertes Verbrennungsverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 vorgeschlagen.Based on the cited prior art, an improved burner head with the features of independent claim 1 and an improved combustion method with the features of independent claim 9 are therefore proposed.
Vorgeschlagen wird zunächst ein Brennerkopf zur Verbrennung von Brennstoff in einer vom Brennerkopf stromabwärts beabstandeten Verbrennungszone, der Folgendes umfasst:
- • ein Brennerrohr mit einem stromaufwärts gelegenen ersten Ende zum Einspeisen von Verbrennungsluft in das Brennerrohr, und einem stromabwärts gelegenen zweiten Ende zur Abgabe eines zündfähigen Gemischs aus Brennstoff und Verbrennungsluft;
- • mindestens ein in dem Brennerrohr koaxial angeordnetes Brennstoffrohr mit mindestens einer im Bereich des zweiten Endes des Brennerrohres angeordneten Brennstoffdüse, zur Zufuhr von Brennstoff in eine im Bereich des zweiten Endes des Brennerrohres angeordnete Mischzone;
- • eine in dem Brennerrohr koaxial angeordnete Dralleinrichtung mit einem Drallrohr sowie darin angeordneten Drallelementen, das einen ersten Strömungsquerschnitt aufweist, der innen durch das mindestens eine Brennstoffrohr und außen durch das Drallrohr begrenzt ist, zur Zufuhr eines ersten Teil-Volumenstroms schraubenlinienförmig verdrallter Verbrennungsluft in die stromabwärts der Dralleinrichtung angeordnete Mischzone; und
- • mindestens einen in dem Brennerrohr koaxial angeordneten zweiten Strömungsquerschnitt, der innen durch das Drallrohr oder mindestens ein das Drallrohr umschließendes Überrohr und außen durch mindestens ein das Drallrohr umschließendes Überrohr oder das Brennerrohr begrenzt ist, zur Führung mindestens eines zweiten Teil-Volumenstroms von Verbrennungsluft getrennt von dem in der Dralleinrichtung schraubenlinienförmig verdrallten ersten Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft in die stromabwärts der Dralleinrichtung angeordnete Mischzone.
- A burner tube having an upstream first end for feeding combustion air into the burner tube, and a downstream second end for discharging an ignitable mixture of fuel and combustion air;
- At least one fuel tube arranged coaxially in the burner tube and having at least one fuel nozzle arranged in the region of the second end of the burner tube for supplying fuel into a mixing zone arranged in the region of the second end of the burner tube;
- • A coaxially arranged in the burner tube swirl device with a swirl tube and therein swirl elements, which has a first flow cross-section which is bounded inside by the at least one fuel tube and the outside by the swirl tube, for supplying a first part-volume flow helically twisted combustion air into the downstream the swirling device arranged mixing zone; and
- At least one second flow cross-section arranged coaxially in the burner tube and bounded internally by the swirl tube or at least one overtube enclosing the swirl tube and externally by at least one over tube or the burner tube enclosing the swirl tube, to separate at least a second partial volume flow of combustion air the first partial volume flow of combustion air helically twisted in the swirl device into the mixing zone arranged downstream of the swirl device.
Bei Ausführungen, die kein das Drallrohr umschließendes Überrohr aufweisen, bildet der Ringspalt zwischen Drallrohr und Brennerrohr einen zweiten Strömungsquerschnitt, durch den ein zweiter Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft geführt, dabei strömungstechnisch aber bisher nicht aktiv beeinflusst wurde. Bei anderen Ausführungen, die zusätzlich ein das Drallrohr umschließendes Überrohr aufweisen, entstehen zwei zweite Strömungsquerschnitte, wodurch der zweite Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft nochmals unterteilt wird. In diesem Fall ist einer der beiden zweiten Strömungsquerschnitte innen durch das Drallrohr und außen durch ein das Drallrohr umschließendes Überrohr begrenzt und der andere der beiden zweiten Strömungsquerschnitte ist innen durch das Überrohr und außen durch das Brennerrohr begrenzt. Beide zweite Teil-Volumenströme wurden bei bekannten Brennerköpfen bisher strömungstechnisch nicht aktiv beeinflusst.In embodiments which do not have the outer tube enclosing the swirl tube, the annular gap between the swirl tube and the burner tube forms a second flow cross section, through which a second partial volume flow of combustion air is conducted, but has not been actively influenced. In other embodiments, which additionally have a swirl tube enclosing the overtube, two second flow cross-sections, whereby the second part-volume flow of combustion air is divided again. In this case, one of the two second flow cross sections is bounded on the inside by the swirl tube and on the outside by an over tube surrounding the swirl tube and the other of the two second flow cross sections is bounded on the inside by the over tube and on the outside by the burner tube. Both second partial flow rates have not been actively influenced in known burner heads so far fluidically.
Erfindungsgemäß wird bei derartigen Brennerköpfen nunmehr vorgeschlagen, dass
- • vor oder/und an oder/und hinter dem Eintritt in die stromabwärts der Dralleinrichtung befindliche Mischzone eine Wirbeleinrichtung mit mindestens einem Wirbelelement zur Verwirbelung mindestens eines zweiten Teil-Volumenstroms von Verbrennungsluft zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung angeordnet ist.
- A vortex device with at least one vortex element for vortexing at least a second partial volume flow of combustion air is arranged at least around a direction running transversely to the flow direction before and / or at and / or after entry into the mixing zone located downstream of the twisting device.
Mit anderen Worten soll, wie bisher auch schon, innerhalb des Brennerrohres ein erster Teil-Volumenstrom der Verbrennungsluft, die am stromaufwärtigen ersten Ende in das Brennerrohr eingeführt wird „verdrallt“, d.h. in eine schraubenlinienförmige Strömung um die zentrale Längsachse des Brennerrohres versetzt werden.In other words, as before, within the burner tube, a first partial volume flow of combustion air introduced into the burner tube at the upstream first end should be "twisted", i. be placed in a helical flow around the central longitudinal axis of the burner tube.
Zusätzlich dazu soll nun auch noch mindestens ein zweiter Teil-Volumenstrom, der bisher strömungstechnisch im Wesentlichen unbehandelt gelassen wurde, „verwirbelt“ werden. Diese Verwirbelung kann an einer oder mehreren Positionen im Bereich mindestens eines zweiten Strömungsquerschnitts entlang der Strömungsrichtung des oder eines zweiten Teil-Volumenstroms erfolgen. Umfasst die Wirbeleinrichtung beispielsweise drei Wirbelelemente, so kann beispielsweise ein erstes Wirbelelement in dem - in der Strömungsrichtung gesehen - mittleren Bereich des zweiten Strömungsquerschnitts angeordnet sein, ein zweites Wirbelelement im Bereich des stromabwärtigen Endes des zweiten Strömungsquerschnitts, d.h. unmittelbar vor oder nach dem Eintritt des zweiten Teil-Volumenstroms in die Mischzone, angeordnet sein und ein drittes Wirbelelement hinter dem zweiten Strömungsquerschnitt, d.h. innerhalb der verbrennungsfreien Mischzone, angeordnet sein.In addition to this, at least a second partial volume flow, which until now has been left essentially untreated in terms of flow, should now also be "swirled". This swirling can take place at one or more positions in the area of at least one second flow cross section along the flow direction of the or a second partial volume flow. If, for example, the vortex device comprises three vortex elements, then for example a first vortex element can be arranged in the middle region of the second flow cross-section, viewed in the flow direction, a second vortex element in the region of the downstream end of the second flow cross-section, i. immediately before or after entry of the second partial volume flow into the mixing zone, and a third vortex element behind the second flow cross-section, i. within the non-combustion mixing zone.
Zur klaren Abgrenzung gegenüber dem bisher praktizierten „Verdrallen“ des ersten Teil-Volumenstroms wird hier für die vorgeschlagene Behandlung des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms der Verbrennungsluft der Begriff „Verwirbeln“ eingeführt, der in tatsächlicher Hinsicht etwas anderes bedeutet als das bekannte „Verdrallen“ und auch so verstanden werden soll. Gemeint ist mit dem hier verwendeten Begriff „Verwirbeln“, dass in dem strömenden Fluid ein Wirbel erzeugt wird, der sich zumindest auch um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung dreht.For a clear distinction from the hitherto practiced "twisting" of the first partial volume flow, the term "vortexing" is introduced here for the proposed treatment of the at least one second partial volume flow of the combustion air, which in actual fact is something other means than the well-known "twisting" and should also be understood. What is meant by the term "swirling" used here is that in the flowing fluid, a vortex is generated, which at least also rotates about a direction transverse to the flow direction.
In bekannten Brennerköpfen wird der in das erste, stromaufwärtige Ende des Brennerrohres eingeblasene Gesamt-Volumenstrom von Verbrennungsluft durch die Dralleinrichtung in einen ersten Teil-Volumenstrom, der im ersten Strömungsquerschnitt der Dralleinrichtung verdrallt wird, und einen zweiten Teil-Volumenstrom, der zwischen Dralleinrichtung und Brennerrohr im zweiten Strömungsquerschnitt strömungstechnisch weitgehend unbeeinflusst der Mischzone zugeführt geführt wird, aufgeteilt.In known burner heads, the total volumetric flow of combustion air blown into the first, upstream end of the burner tube through the swirl device into a first partial volume flow, which is twisted in the first flow cross section of the swirl device, and a second partial volume flow between the swirl device and burner tube in the second flow cross-section fluidically largely uninfluenced the mixing zone supplied, divided.
In einigen weiterentwickelten Brennerköpfen wird der zweite Teil-Volumenstrom in der Strömungsrichtung gesehen etwa in der Mitte der Dralleinrichtung nochmals unterteilt, und zwar durch ein Überrohr, welches das Drallrohr mit einem radialen Abstand umschließt und sich beispielsweise etwa von der Mitte der Dralleinrichtung bis zu deren stromabwärtigem zweiten Ende erstreckt. Der Sinn dieses Überrohres und der damit verbundenen nochmaligen Aufteilung des zweiten Teil-Volumenstroms in zwei zweite Teil-Volumenströme besteht in der Beeinflussung bestimmter Geschwindigkeits- und Druckverhältnisse im Bereich des stromabwärtigen Endes des Brennerrohres, die sich auf die Ansaugung rezirkulierter Abgase auswirken.In some advanced burner heads, the second partial flow in the direction of flow is divided again approximately in the middle of the swirling means, by an over-tube which encloses the swirling tube with a radial distance and, for example, approximately from the center of the swirling device to its downstream second end extends. The purpose of this over tube and the associated re-division of the second part volume flow into two second part volume flows is to influence certain speed and pressure conditions in the region of the downstream end of the burner tube, which affect the intake of recirculated exhaust gases.
Bei der Anwendung der hiermit vorgeschlagenen Verbesserungsmaßnahmen sollte mindestens einer dieser zweiten Teil-Volumenströme zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung verwirbelt werden, wobei bevorzugt der ganz außen, zwischen Brennerrohr und Überrohr geführte zweite Teil-Volumenstrom zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung verwirbelt wird.When applying the improvement measures proposed here, at least one of these second partial volume flows should be swirled at least around a direction running transversely to the direction of flow, whereby the second part volume flow guided completely outside, between burner tube and over tube preferably swirls at least around a direction running transversely to the flow direction becomes.
Mit Bezug auf den vorgeschlagenen Brennerkopf bedeutet dies, dass bei Ausführungen, die zusätzlich zu der Dralleinrichtung ein Überrohr aufweisen, eine Wirbeleinrichtung bevorzugt zwischen dem Überrohr und dem Brennerrohr angeordnet ist. Selbstverständlich kann aber eine Wirbeleinrichtung auch alternativ oder zusätzlich zwischen Drallrohr und Überrohr angeordnet sein, ohne den erfinderischen Gedanken zu verlassen.With reference to the proposed burner head, this means that in embodiments which have an over-tube in addition to the swirl device, a swirl device is preferably arranged between the over-tube and the burner tube. Of course, however, a vortex device can alternatively or additionally be arranged between the vortex tube and the overtube without departing from the inventive concept.
Das „Verwirbeln“ des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:The "swirling" of the at least one second partial volume flow can take place in different ways:
Beispielsweise kann bei dem vorgeschlagenen Brennerkopf vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wirbelelement mindestens eine den zweiten Strömungsquerschnitt verkleinernde, konzentrisch zum Brennerrohr angeordnete Wirbelkante umfasst. Eine solche Wirbelkante kann beispielsweise eine Begrenzung eines als Wirbelelement dienenden Ringes sein, der am inneren oder äußeren Durchmesser des zweiten Strömungsquerschnitts oder mitten in dem zweiten Strömungsquerschnitt angeordnet ist, wobei Ausgestaltungen vom Erfindungsgedanken mit umfasst sind, bei denen die Wirbeleinrichtung Kombinationen von zwei oder mehr derartigen Wirbelelementen umfassen. Die auf einen solchen Ring auftreffenden Strömungslinien des strömenden Fluids, d.h. des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms der Verbrennungsluft, werden gebremst und anschließend gezwungen, das Wirbelelement zu umströmen. Die dadurch entstehende Verwirbelung ist umso stärker, je größer der Strömungswiderstand des Wirbelelements ist, was wiederum von dessen Querschnittsform (d.h. der Schnittfläche des Wirbelelements, die bei einem Längsschnitt durch das Brennerrohr sichtbar wird) abhängt.For example, it can be provided in the proposed burner head that the at least one vortex element comprises at least one second edge of the flow reducing, concentric with the burner tube arranged vortex edge. Such a vortex edge may, for example, be a boundary of a ring serving as a vortex element, which is arranged at the inner or outer diameter of the second flow cross section or in the middle of the second flow cross section, embodiments of the invention are included, in which the vortex device combinations of two or more such Include vertebral elements. The flow lines of the flowing fluid impinging on such a ring, i. of the at least one second partial volume flow of the combustion air, are braked and then forced to flow around the vortex element. The greater the flow resistance of the vortex element, the greater the resulting turbulence, which in turn depends on its cross-sectional shape (i.e., the sectional area of the vortex element which becomes visible in a longitudinal section through the burner tube).
Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Wirbelkante in der Strömungsrichtung gesehen stetig, beispielsweise kreisförmig ist. Hierdurch wird eine relativ gleichmäßige Verwirbelung des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms der Verbrennungsluft, erzielt, die dennoch nachfolgend eine signifikant bessere Durchmischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff sowie gegebenenfalls rezirkuliertem Abgas erzielt, weil der verdrallte erste Teil-Volumenstrom und der verwirbelte mindestens eine zweite Teil-Volumenstrom aufeinandertreffen und eine deutlich homogenere Durchmischung erzielen als dies aus dem Stand der Technik bekannt war.According to one embodiment, it can be provided that the vortex edge is continuous, for example circular, in the direction of flow. As a result, a relatively uniform turbulence of the at least one second partial volume flow of the combustion air is achieved, which nevertheless subsequently achieves a significantly better mixing of the combustion air with the fuel and possibly recirculated exhaust gas, because the twisted first part volume flow and the swirled at least one second part Volumetric flow meet and achieve a much more homogeneous mixing than was known from the prior art.
Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Wirbelkante unstetig, beispielsweise gezahnt ist. Derartige Zahnungen einer Wirbelkante eines Wirbelelements können beispielsweise an die grundsätzliche Form einer Dreieckfunktion, Rechteckfunktion, Trapezfunktion usw. angelehnt sein, die sich hier jedoch umlaufend durch den grundsätzlich ringförmigen zweiten Strömungsquerschnitt erstreckt und daher unendlich ist.According to one embodiment it can be provided that the vortex edge is discontinuous, for example toothed. Such serrations of a vortex edge of a vortex element can be based, for example, on the basic shape of a triangular function, rectangular function, trapezoidal function, etc., which, however, extends circumferentially through the basically annular second flow cross section and is therefore infinite.
Wie weiter oben bereits ausgeführt, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass mindestens ein Wirbelelement an der Außenseite des Drallrohres bzw. Überrohres angebracht ist, oder/und dass mindestens ein Wirbelelement an der Innenseite des Brennerrohres angebracht ist, oder/und dass mindestens ein Wirbelelement zwischen der Innenseite des Brennerrohres und der Außenseite des Drallrohres bzw. Überrohres, d.h. mitten im zweiten Strömungsquerschnitt, angebracht ist.As already stated above, it can be provided, for example, that at least one swirl element is attached to the outside of the swirl tube or over tube, and / or that at least one swirl element is attached to the inside of the burner tube, or / and that at least one swirl element is interposed between the swirl element Inside the burner tube and the outside of the Twist tube or overtube, ie in the middle of the second flow cross-section, is mounted.
Es hat sich gezeigt, dass mit dem vorgeschlagenen verbesserten Brennerkopf im Vergleich mit bekannten Brennerköpfen gleichzeitig mit einer Stabilisierung der Flamme eine deutliche Reduktion der Schadstoffemissionen, insbesondere des Ausstoßes von Ruß, Kohlenmonoxid und Stickoxiden, durch Homogenisierung des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs und daraus folgend durch den Abbau von Temperaturspitzen, erzielt werden konnte. Mit anderen Worten stellt die Anordnung einer Wirbeleinrichtung in dem zweiten Strömungsquerschnitt bereits für sich genommen eine stickoxidmindernde Maßnahme dar; sie ermöglicht jedoch darüber hinaus auch weitere stickoxidmindernde Maßnahmen, wie nachfolgend beschrieben:It has been found that with the proposed improved burner head in comparison with known burner heads simultaneously with a stabilization of the flame a significant reduction of pollutant emissions, in particular the emission of soot, carbon monoxide and nitrogen oxides, by homogenization of the fuel combustion air mixture and consequent the degradation of temperature peaks, could be achieved. In other words, the arrangement of a vortex device in the second flow cross-section, taken by itself, represents a nitrogen oxide-reducing measure; however, it also allows further nitrogen oxide reducing measures, as described below:
Die Dralleinrichtung kann innerhalb des Brennerrohres relativ zu diesem axial, d.h. entlang der Strömungsrichtung, verschiebbar ausgestaltet sein, um bestimmte strömungstechnische Verfahrensparameter einzustellen, die die Stabilität der Flamme und die Abgasemissionen beeinflussen, so dass ein optimaler Arbeitspunkt gefunden werden kann.The swirl means may be located axially within the burner tube relative thereto. along the flow direction, slidable to set certain fluidic process parameters that affect the stability of the flame and the exhaust emissions, so that an optimal operating point can be found.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Wirbeleinrichtung im Ganzen verschiebbar ist oder/und mindestens eines von mehreren Wirbelelementen der Wirbeleinrichtung relativ zur Dralleinrichtung axial verschiebbar ist. Mit anderen Worten sind von dem erfinderischen Gedanken auch Ausgestaltungen umfasst, bei denen eine Anordnung mehrerer Wirbelelemente relativ zur Dralleinrichtung verschiebbar ist oder ein Wirbelelement der Wirbeleinrichtung relativ zu anderen Wirbelelementen der Wirbeleinrichtung und relativ zur Dralleinrichtung verschiebbar ist oder mehrere Wirbelelemente der Wirbeleinrichtung unabhängig voneinander relativ zu anderen Wirbelelementen der Wirbeleinrichtung und relativ zur Dralleinrichtung verschiebbar sind. Wie im Falle einer axial verschiebbaren Dralleinrichtung, und auch in Kombination mit einer axial verschiebbaren Dralleinrichtung, können dadurch strömungstechnische Verfahrensparameter, die die Stabilität der Flamme und die Abgasemissionen beeinflussen, gezielt verändert und an konkrete Einsatzbedingungen angepasst werden.In accordance with a further embodiment, provision can moreover be made for the vortex device to be displaceable as a whole and / or for at least one of a plurality of vortex elements of the vortex device to be axially displaceable relative to the twisting device. In other words, embodiments of the inventive concept are also encompassed in which an arrangement of a plurality of swirl elements is displaceable relative to the swirl device or a swirl element of the swirl device is displaceable relative to other swirl elements of the swirl device and relative to the swirl device or several swirl elements of the swirl device are independent relative to each other Whirl elements of the vortex device and relative to the swirl device are displaceable. As in the case of an axially displaceable swirl device, and also in combination with an axially displaceable swirl device, thereby fluidic process parameters that affect the stability of the flame and the exhaust emissions can be selectively changed and adapted to specific conditions of use.
Die vorgeschlagene Lösung ist technisch einfach, preiswert herstellbar und sie ist geeignet, im Rahmen von Retrofit-Maßnahmen schnell, einfach und kostengünstig in bereits existierenden Brennerköpfen nachzurüsten, indem nachträglich eine Wirbeleinrichtung der beschriebenen Art angebracht wird.The proposed solution is technically simple, inexpensive to produce and it is suitable to retrofit in the context of retrofit measures quickly, easily and inexpensively in existing burner heads by subsequently a vortex device of the type described is attached.
Mit dem vorgeschlagenen verbesserten Brennerkopf kann ein verbessertes Verfahren zur Verbrennung von Brennstoff in einer von einem Brennerkopf stromabwärts beabstandeten, in einem Brennraum vorgesehenen Verbrennungszone realisiert werden, das eine stabile Verbrennung und Leistungsabgabe sowie geringe Schadstoffemissionen ermöglicht. Das hierzu vorgeschlagene Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- • Zuführen von Verbrennungsluft und unverbranntem Brennstoff in eine verbrennungsfreie Mischzone, die im Bereich eines stromabwärtigen Endes des Brennerkopfs vorgesehen ist, um ein zündfähiges Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch zu erzeugen;
- • Zuführen des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs in die Verbrennungszone; und
- • Verbrennen des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisches in der Verbrennungszone;
- • wobei vor dem Zuführen von Verbrennungsluft in die verbrennungsfreie Mischzone mindestens ein erster Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft verdrallt wird;
- • zusätzlich zu dem ersten Teil-Volumenstrom von verdrallter Verbrennungsluft und getrennt von diesem mindestens ein zweiter Teil-Volumenstrom von
- Supplying combustion air and unburned fuel into a combustion-free mixing zone provided in the region of a downstream end of the burner head to produce an ignitable fuel-combustion air mixture;
- Feeding the fuel-combustion air mixture into the combustion zone; and
- Burning the fuel-combustion air mixture in the combustion zone;
- Wherein, before supplying combustion air into the combustion-free mixing zone, at least a first partial volume flow of combustion air is twisted;
- • In addition to the first part volume flow of twisted combustion air and separated from this at least a second partial flow of
Verbrennungsluft in die verbrennungsfreie Mischzone zugeführt wird; und
- • mindestens ein zweiter Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft vor oder/und bei oder/und nach dem Zuführen in die verbrennungsfreie Mischzone zumindest um eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Richtung verwirbelt wird.
- • At least a second partial volume flow of combustion air before and / or at and / or after feeding into the combustion-free mixing zone is swirled at least by a direction transverse to the flow direction.
Mit anderen Worten kann das Verfahren je nach den konkreten Anwendungsbedingungen so ausgestaltet sein, dass die Verwirbelung des mindestens einen zweiten Teil-Volumenstroms innerhalb eines zweiten Strömungsquerschnitts erfolgt oder an dessen Ende, d.h. dem Übergang in die verbrennungsfreie Mischzone, oder innerhalb der verbrennungsfreien Mischzone. Vorrichtungsseitig kann dies beispielsweise dadurch realisiert sein, dass mindestens ein Wirbelelement innerhalb der verbrennungsfreien Mischzone angeordnet oder in diese hinein bewegbar ist.In other words, depending on the specific conditions of use, the method can be designed such that the turbulence of the at least one second partial volume flow takes place within a second flow cross-section or at the end thereof, i. the transition to the combustion-free mixing zone, or within the non-combustion mixing zone. On the device side, this can be realized, for example, in that at least one vortex element is arranged within the combustion-free mixing zone or can be moved into it.
In weiterer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine zweite Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft im Wesentlichen toroidal verwirbelt wird, d.h. dass sich hinter dem mindestens einen Wirbelelement ein torusförmiger Wirbel ausbildet. Ein Torus ist ein geometrisches Objekt, das in etwa die Gestalt eines Rettungsrings, Reifens oder Donuts hat.In a further embodiment of the proposed method, it can be provided that the at least one second partial volume flow of combustion air is substantially toroidally swirled, i. that forms behind the at least one vortex element, a toroidal vortex. A torus is a geometric object that has the shape of a lifebuoy, hoop, or donut.
Eine im Wesentlichen toroidale Verwirbelung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass am Übergang von der der Dralleinrichtung zur Mischzone, d.h. am jeweiligen stromabwärtigen Ende des ersten Strömungsquerschnitts und des zweiten Strömungsquerschnitts, am oder im zweiten Strömungsquerschnitt eine Wirbeleinrichtung mit mindestens einem Wirbelelement angeordnet ist, das beispielsweise eine glatte, d.h. stetige, beispielsweise kreisförmige, ellipsenförmige oder dergleichen Wirbelkante aufweist. An essentially toroidal swirling can be achieved, for example, by arranging a swirling device with at least one swirl element at the transition from the swirling device to the mixing zone, ie at the respective downstream end of the first flow cross section and the second flow cross section, on or in the second flow cross section has a smooth, ie continuous, for example, circular, elliptical or similar vortex edge.
Es kann sich bei dem Wirbelelement beispielsweise um einen einfachen Blechring, also einen Ring mit einem RechteckQuerschnitt, handeln, der an der Außenseite des Drallrohres befestigt ist und einige Millimeter in den zweiten Strömungsquerschnitt hineinragt. Dieser kann im Rahmen einer Nachrüstlösung beispielsweise ein separates Teil sein, das an seinem inneren Ringdurchmesser Laschen mit Bohrungen aufweist, mittels derer der Ring mit dem Drallrohr verschraubt ist. Es bildet sich in dem zweiten Teil-Volumenstrom unmittelbar hinter dem Blechring eine toroidale Strömung aus, die sich anschließend mit der schraubenlinienförmigen Strömung des ersten Teil-Volumenstroms vermischt.For example, the vortex element may be a simple sheet-metal ring, ie a ring with a rectangular cross-section, which is fastened to the outside of the swirl tube and protrudes a few millimeters into the second flow cross-section. This can be in the context of a retrofit solution, for example, a separate part, which has at its inner ring diameter tabs with holes, by means of which the ring is screwed to the swirl tube. A toroidal flow is formed in the second part volume flow immediately behind the sheet metal ring, which then mixes with the helical flow of the first part volume flow.
Alternativ oder zusätzlich kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorgesehen sein, dass der mindestens eine zweite Teil-Volumenstrom von Verbrennungsluft im Wesentlichen so verwirbelt wird, dass er beim Eintritt in die verbrennungsfreie Mischzone eine Kärmänsche Wirbelstraße bildet. Als Kärmänsche Wirbelstraße bezeichnet man ein Phänomen in der Strömungsmechanik, bei dem sich hinter einem umströmten Körper gegenläufige Wirbel ausbilden. Der Charakter der Wirbelbildung wird im Wesentlichen von der Reynolds-Zahl Re bestimmt. Sie stellt das Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften dar und errechnet sich aus der Strömungsgeschwindigkeit, dem Durchmesser des Körpers und der Viskosität. Im einfachsten Fall, dem eines ortsfesten Zylinders in einer stationären Strömung, lassen sich anhand der Reynolds-Zahl verschiedene Ausbildungen der Wirbelstraße beobachten: Bei sehr kleinen Geschwindigkeiten findet überhaupt keine Strömungsablösung statt. Mit zunehmender Geschwindigkeit bilden sich auf der strömungsabgewandten Seite zwei gegenläufig rotierende Wirbelblasen aus, die zunehmend instabil werden und dann anfangen, eine typische, periodische Pendelbewegung zu zeigen.Alternatively or additionally, it can be provided in the proposed method that the at least one second partial volume flow of combustion air is substantially so swirled that it forms a Karman vortex street on entering the combustion-free mixing zone. A Kärmän vortex street is a phenomenon in fluid mechanics in which opposing vortices form behind a body that flows around it. The character of vortex formation is essentially determined by the Reynolds number Re. It represents the ratio of inertia to toughness forces and is calculated from the flow rate, the diameter of the body and the viscosity. In the simplest case, that of a fixed cylinder in a stationary flow, different configurations of the vortex street can be observed on the basis of the Reynolds number: At very low speeds, no flow separation takes place at all. With increasing speed, two counter-rotating vortex bubbles form on the downstream side, which become increasingly unstable and then begin to show a typical, periodic pendulum motion.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines verbesserten Brennerkopfes im Längsschnitt, -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines verbesserten Brennerkopfes im Längsschnitt, -
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines verbesserten Brennerkopfes im Längsschnitt, und -
4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines verbesserten Brennerkopfes im Längsschnitt.
-
1 a first embodiment of an improved burner head in longitudinal section, -
2 A second embodiment of an improved burner head in longitudinal section, -
3 a third embodiment of an improved burner head in longitudinal section, and -
4 A fourth embodiment of an improved burner head in longitudinal section.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele basieren sämtlich auf dem Ausführungsbeispiel gemäß
Wegen der Erläuterung von Merkmalen des aus dem Patent
Der dargestellte Brennerkopf ist als Zweistoffbrenner ausgeführt, mit dem flüssige und gasförmige Brennstoffe (z.B. Öl, Gas) verbrannt werden können. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung nicht nur bei Zweistoffbrennern, sondern selbstverständlich auch bei Einstoffbrennern vorteilhaft angewendet werden kann.The illustrated burner head is designed as a dual fuel burner with which liquid and gaseous fuels (e.g., oil, gas) can be burned. It should be noted, however, that the solution according to the invention can be used advantageously not only for dual-fuel burners, but of course also for single-fuel burners.
Der Brennerkopf wird nach außen von einem Brennerrohr
Über einen ersten Brennstoffanschluss
Über einen zweiten Brennstoffanschluss
An der Außenseite des zweiten Brennstoffrohres
Der außerhalb des Drallrohres
Am Ende des Drallrohres
Anschließend tritt das so gebildete Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch am zweiten Ende
Am stromabwärts gelegenen Ende des zweiten Strömungsquerschnitts, d.h. im Bereich des Übergangs vom zweiten Strömungsquerschnitt in die Mischzone, ist eine Wirbeleinrichtung
In dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß
Das in
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Wirbeleinrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Brennerrohrburner tube
- 1111
- erstes Endefirst end
- 1212
- zweites Endesecond end
- 1313
- Leiteinrichtungguide
- 1414
- DeltablendeDelta panel
- 22
- erstes Brennstoffrohrfirst fuel pipe
- 2121
- erster Brennstoffanschlussfirst fuel connection
- 2222
- erste Brennstoffdüsefirst fuel nozzle
- 33
- zweites Brennstoffrohrsecond fuel pipe
- 3131
- zweiter Brennstoffanschlusssecond fuel connection
- 3232
- zweite Brennstoffdüsesecond fuel nozzle
- 44
- Dralleinrichtungswirl device
- 4141
- Drallrohrtwisted tube
- 4242
- Drallelementswirl element
- 4343
- ÜberrohrAbout pipe
- 4444
- Einlassöffnunginlet port
- 55
- Wirbeleinrichtungswirler
- 5151
- Wirbelelementvertebral element
- 5252
- Wirbelkanteswirl edge
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19509219 A1 [0003]DE 19509219 A1 [0003]
- EP 1245901 A1 [0004]EP 1245901 A1 [0004]
- DE 19704721 A1 [0004]DE 19704721 A1 [0004]
- DE 102005038662 A1 [0004]DE 102005038662 A1 [0004]
- EP 2037173 B1 [0006, 0007, 0008, 0038, 0039]EP 2037173 B1 [0006, 0007, 0008, 0038, 0039]
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EP2037173B1 (en) | 2007-09-14 | 2011-11-16 | ELCO Burners GmbH | Burner head and method for one-step combustion of fuel in a combustion zone separated from the burner head |
-
2017
- 2017-06-29 DE DE102017114570.2A patent/DE102017114570B4/en not_active Expired - Fee Related
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---|---|
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |